CN102595064A

CN102595064A - Cmos图像传感器

Info

Publication number: CN102595064A
Application number: CN2012100428674A
Authority: CN
Inventors: 田犁; 汪辉; 陈杰; 方娜; 苗田乐
Original assignee: Shanghai Advanced Research Institute of CAS
Current assignee: Chongqing Guoke Applied Technology Research Institute Co.,Ltd.
Priority date: 2012-02-23
Filing date: 2012-02-23
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-02-23
Also published as: CN102595064B

Abstract

本发明提供一种CMOS图像传感器，采用包括红外光像元结构及可见光像元结构两种不同的像元结构，在省电模式下只有红外感知的图像传感器工作，将红外感知的像元输出的信号通过比较器与一预设阀值进行比较，若大于所述预设阀值，则打开与其相对应的可见光像元结构进行感光读出。本发明的CMOS传感器能够工作在省电模式下，结构简单，能够降低CMOS传感器的功耗，并提高CMOS传感器对红外光的感知能力。

Description

CMOS图像传感器

技术领域

本发明属于半导体领域，特别是涉及一种CMOS图像传感器。

背景技术

现有CMOS图像传感器包括CMOS数模电路和像素单元电路阵列构成，根据一个所述像素单元电路所包括的晶体管的数目，现有CMOS图像传感器分为3T型结构和4T型结构、还可以有5T型结构。

如图1所示，为一种现有3T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路结构图，包括：

一个光电二极管10(Photo Diode，PD)，用于在曝光时进行光电转换，将接收到的光信号转换成电信号，所述光电二极管10包括P型区和N型区，所述P型区接地。

一个复位晶体管M1，用于在曝光前对所述光电二极管10进行复位，复位由复位信号Reset信号进行控制。在图1中，所述复位晶体管M1选用一个NMOS管，所述复位晶体管M1的源极和所述光电二极管10的N型区相连，所述复位晶体管M1的源极同时也为一感应节点N1又称为浮空扩散区(Floating Diffusion，FD)；所述复位晶体管M1的漏极接电源Vdd，所述电源Vdd为一正电源。当所述复位信号Reset为高电平时，所述复位晶体管M1导通并将所述光电二极管10的N型区连接到电源Vdd，在所述电源Vdd的作用下，使所述光电二极管10反偏并会清除所述光电二极管10的全部累积的电荷，实现复位。所述复位晶体管M1也可以由多个NMOS管串联形成、或由多个NMOS管并联形成，也可以用PMOS管代替所述NMOS管。

一个放大晶体管M2，也为一源极跟随器，用于将所述光电二极管10产生的电信号进行放大。在图1中，所述放大晶体管M2选用一NMOS管，所述放大晶体管M2的栅极接所述光电二极管10的N型区，所述放大晶体管M2的漏极接所述电源Vdd，所述放大晶体管M2的源极为放大信号的输出端。所述放大晶体管M2也可以由多个NMOS管串联形成、或由多个NMOS管并联形成。

一个行选择晶体管M3，用于将所述放大晶体管M2的源极输出的放大信号输出。在图1中，所述行选择晶体管M3选用一NMOS管，所述行选择晶体管M3的栅极接行选择信号Rs，所述行选择晶体管M3的源极接所述放大晶体管M2的源极，所述行选择晶体管M3的漏极为输出端。

如图2所示，为一种现有4T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路结构图。相比于3T型结构，现有4T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路结构图增加了一个转移晶体管M4，所述转移晶体管M4用于将所述光电二极管10产生的电信号输入到所述感应节点N1。在图2中，所述转移晶体管M4选用一NMOS管，所述转移晶体管M4的栅极接转移信号TX，所述转移晶体管M4的源极接所述光电二极管10的N型区，所述转移晶体管M4的漏极接所述复位晶体管M1的源极即所述感应节点N1。

目前每种CMOS图像传感器大多采用同一种相同的像素结构，但是，当应用于特殊的领域中时，例如无人区监控或可能对红外部分的信息更加感兴趣的监控等，往往需要考虑功耗的问题，同时因为硅材料对于红外光的感知能力较弱，无法做到及时反映红外光信息。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种CMOS图像传感器，用于提供一种适用于监控领域，并且对红外光感知能力较强、功耗较低的CMOS传感器。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种CMOS图像传感器，至少包括：感光阵列，包括多个由一红外光像素单元及至少一可见光像素单元组成的感光模块，各该感光模块中的红外光像素单元藉由一第一总线连接，所述红外光像素单元用于在接收到第一扫描信号时将红外光信号转换成电信号输出，各该感光模块中的可见光像素单元藉由一第二总线连接，可见光像素单元用于在接收到第二扫描信号时将可见光信号转换成电信号输出；比较模块，连接所述第一总线，用于在检测到任一感光模块中的红外光像素单元所输出的电信号大于一预设阀值时，输出控制信号；扫描模块，连接所述第一总线、第二总线及比较模块，所述扫描模块通过第一总线向所述各该感光模块中的红外光像素单元发送第一扫描信号使其将红外光信号转换成电信号输出，并在接收到所述比较模块输入的控制信号时，通过第二总线输出第二扫描信号给所述感光模块中的各该可见光像素单元使其选通，以将可见光信号转换成电信号输出。

在本发明的CMOS图像传感器中，所述第二总线的输出端连接一积分电路，用于将所述可见光像素单元输入的电信号放大并输出。

优选地，所述积分电路包括运算放大器及积分电容，其中，所述运算放大器的第一输入端与所述第二总线相连、第二输入端接地，所述积分电容的第一端连接于所述运算放大器的第一输入端、第二端连接于所述运算放大器的输出端。

在本发明的CMOS图像传感器中，所述感光模块包括的可见光像素单元为1～16个。

优选地，所述感光模块包括的可见光像素单元为1个，且所述各该可见光像素单元及红外光像素单元交错排列。

在本发明的CMOS图像传感器中，所述感光模块中的红外光像素单元与可见光像素单元均包括感光元件及读出电路。

进一步地，所述感光元件为光门、PN型光电二极管或PIN型光电二极管。

作为一种优选方案，所述红外光像素单元的感光元件表面设置有红外增透膜。

作为一种优选方案，所述红外光像素单元与可见光像素单元为3T型结构的像素单元、4T型结构的像素单元或5T型结构的像素单元。

在本发明的CMOS图像传感器中，所述比较模块包括一比较器，该比较器的第一输入端藉由第一总线连接于所述红外光像素单元，其第二输入端用于输入预设阀值，其输出端连接于所述扫描电路。

在本发明的CMOS图像传感器中，所述扫描模块包括行扫描电路及列扫描电路。

在本发明的CMOS图像传感器中，所述扫描模块按预设程序通过第一总线向所述各该感光模块中的红外光像素单元发送第一扫描信号，所述预设程序为按照预设方向对各该感光模块依次进行行扫描或列扫描的执行程式。

如上所述，本发明的CMOS图像传感器，具有以下有益效果：本发明采用了包括红外光像元结构及可见光像元结构两种不同的像元结构，在省电模式下只有红外感知的图像传感器工作，将红外感知的像元输出的信号通过比较器与一预设阀值进行比较，若大于所述预设阀值，则打开与其相对应的可见光像元结构进行感光读出。本发明的CMOS传感器能够工作在省电模式下，结构简单，能够降低CMOS传感器的功耗，并提高CMOS传感器对红外光的感知能力。

附图说明

图1显示为现有技术中的3T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路结构示意图。

图2显示为现有技术中的4T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路结构示意图。

图3显示为本发明CMOS图像传感器等效电路结构示意图。

图4显示为本发明CMOS图像传感器的红外光像素单元的电路结构图。

图5显示为本发明CMOS图像传感器的可见光像素单元的电路结构图。

元件标号说明

1 感光阵列

11 感光模块

111 红外光像素单元

112 可见光像素单元

12 第一总线

13 第二总线

2 比较模块

3 扫描模块

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图3至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图3～图5所示，本发明提供一种CMOS图像传感器，至少包括：感光阵列1，包括多个由一红外光像素单元111及至少一可见光像素单元112组成的感光模块11，各该感光模块11中的红外光像素单元111藉由一第一总线12连接，所述红外光像素单元111用于在接收到第一扫描信号时将红外光信号转换成电信号输出，各该感光模块11中的可见光像素单元112藉由一第二总线13连接，可见光像素单元112用于在接收到第二扫描信号时将可见光信号转换成电信号输出。所述感光模块包括的可见光像素单元为1～16个，即一个红外光像素单元111对应的可见光像素单元112为1～16个。为了便于理解，在本实施例中，以所述感光模块包括一红外光像素单元及一可见光像素单元为例进行说明，当然，在其它实施例中，所述可见光像素单元可为多个，其原理与本实施例一致。

在本实施例中，所述感光模块11中的红外光像素单元111与可见光像素单元112均包括感光元件及读出电路(未予图示)。进一步地，所述感光元件为PN型光电二极管或PIN型光电二极管。本实施例的CMOS传感器制备于Si衬底中，鉴于普通的Si衬底作为感光器件对红外光感光强度较低，在本实施例中，先在所述Si衬底的制作出Ge区或者元素掺杂的Si区，然后在所述Ge区或者元素掺杂的Si区制作所述PN型光电二极管、PIN型光电二极管或光门等作为红外像素单元，优选地，所述红外光像素单元111的感光元件表面设置有红外增透膜。当然，在其它的实施例中，也可以采用其它的感光器件并在所述感光器件表面制作红外光增透膜来制备。并且，所述读出电路为3T型结构的CMOS像素读出电路或4T型结构的CMOS像素读出电路。作为一个优选方案，在设计上可见光像素单元的浮空扩散区势阱容量可以制作得更大以便能够采用比较长的积分时间，同时以相对红外光像素单元慢的速度读出电信号。

请参阅图4，如图所述，本实施例中的红外光像素单元111采用4T型结构的CMOS像素读出电路，其包括红外光感光元件1111、转移晶体管1112、浮空扩散区1113、复位晶体管1114、放大晶体管1115以及选通晶体管1116，其连接关系及功能如传统的4T型结构的CMOS像素读出电路，其中，所述选通晶体管1116用于在选通时输入来自所述扫描模块3的第一扫描信号，以使得红外光像素单元111输出电信号，且所述红外光感光元件111对红外光具有较强的感光能力。

请参阅图5，如图所示，本实施例中的可见光像素单元112采用4T型结构的CMOS像素读出电路，其包括可见光感光元件1121、转移晶体管1122、浮空扩散区1123、复位晶体管1124、放大晶体管1125以及选通晶体管1126，其连接关系及功能如传统的4T型结构的CMOS像素读出电路，其中，所述选通晶体管1126用于在选通时输入来自所述扫描模块3的第二扫描信号，以使得可见光像素单元112输出电信号。

在本实施例中，所述红外光像素单元111及可见光像素单元112交错排列，当然，在其它的实施例中，所述红外光像素单元111及可见光像素单元112的排列方式也可采用其它的混合排列方式进行排列。

如图3所示，本发明的CMOS图像传感器还包括比较模块2，连接所述第一总线12，用于在检测到任一感光模块11中的红外光像素单元111所输出的电信号大于一预设阀值时，输出控制信号。

在本实施例中，所述比较模块2包括一比较器，该比较器的第一输入端藉由第一总线12连接于所述红外光像素单元111，其第二输入端用于输入预设阀值(Vref)，其输出端连接于所述扫描电路，需要说明的是，在实际的实施过程中，依据比较器及其应用电路中的各参数设定一预设阀值的技术需根据实际应用的情况如应用环境、功耗、监测所需的灵敏度等因素来确定。

如图3所述，本发明的CMOS图像传感器还包括扫描模块3，连接所述第一总线12、第二总线13及比较模块2，所述扫描模块3通过第一总线12向所述各该感光模块11中的红外光像素单元111发送第一扫描信号使其将红外光信号转换成电信号输出，并在接收到所述比较模块2输入的控制信号时，通过第二总线13输出第二扫描信号给所述感光模块11中可见光像素单元112使其选通，以将可见光信号转换成电信号输出。

在本实施例中，所述扫描模块3包括行扫描电路及列扫描电路。所述扫描模块3按预设程序通过第一总线12向所述各该感光模块11中的红外光像素单元111发送第一扫描信号，所述预设程序为按照预设方向对各该感光模块11依次进行行扫描或列扫描的执行程式，如图3中箭头方向所示。

在本实施例中，所述CMOS图像传感器还包括与所述第二总线13的输出端连接的积分电路(未予图示)，用于将所述可见光像素单元112输入的电信号放大并输出。优选地，所述积分电路包括运算放大器及积分电容，其中，所述运算放大器的第一输入端与所述第二总线13相连、第二输入端接地，所述积分电容的第一端连接于所述运算放大器的第一输入端、第二端连接于所述运算放大器的输出端。

为进一步阐明本发明的原理及功效，复请一并参阅图3～图5，在具体的实施过程中，所述CMOS图像传感器工作于省电模式中，当所述扫描模块3按行扫描程序或列扫描程序对所述感光模块11中的红外光感光像素单元中的选通晶体管1116发出第一扫描信号使其选通时，所述红外光像素单元111开始将红外光信号转换为电信号并输出至所述比较模块2。所述比较模块2对输入的电信号与其预设的阀值进行比较，若所述电信号小于预设阀值则输出低电平，此时，所述扫描模块3不向所述可见光像素单元112输出第二扫描信号使其选通，若所述电信号大于预设阀值则输出高电平至所述扫描模块3，此时扫描模块3会输出第二扫描信号至所述可见光像素单元112的选通晶体管1126使其选通，所述可见光像素单元112开始将可见光信号转换成电信号输出。完成上述操作以后，无论所述可见光像素单元选通与否，所述扫描模块3都会向下一感光模块11的红外光像素单元111发出第一扫描信号，然后按上述的电路原理进行下一步的扫描操作。所述各该可见光像素单元112输出的电信号会输出至后续电路，如采样保持电路或积分电路等，电信号通过积分放大和后续电路以后输出数字信号以供存储或读取等操作。

综上所述，本发明的CMOS图像传感器采用了包括红外光像元结构及可见光像元结构两种不同的像元结构，在省电模式下只有红外感知的图像传感器工作，将红外感知的像元输出的信号通过比较器与一预设阀值进行比较，若大于所述预设阀值，则打开与其相对应的可见光像元结构进行感光读出。本发明的CMOS传感器能够工作在省电模式下，结构简单，能够降低CMOS传感器的功耗，并提高CMOS传感器对红外光的感知能力。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种CMOS图像传感器，其特征在于，至少包括：

感光阵列，包括多个由一红外光像素单元及至少一可见光像素单元组成的感光模块，各该感光模块中的红外光像素单元藉由一第一总线连接，所述红外光像素单元用于在接收到第一扫描信号时将红外光信号转换成电信号输出，各该感光模块中的可见光像素单元藉由一第二总线连接，可见光像素单元用于在接收到第二扫描信号时将可见光信号转换成电信号输出；

比较模块，连接所述第一总线，用于在检测到任一感光模块中的红外光像素单元所输出的电信号大于一预设阀值时，输出控制信号；

扫描模块，连接所述第一总线、第二总线及比较模块，所述扫描模块通过第一总线向所述各该感光模块中的红外光像素单元发送第一扫描信号使其将红外光信号转换成电信号输出，并在接收到所述比较模块输入的控制信号时，通过第二总线输出第二扫描信号给所述感光模块中的各该可见光像素单元使其选通，以将可见光信号转换成电信号输出。

2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述第二总线的输出端连接一积分电路，用于将所述可见光像素单元输入的电信号放大并输出。

3.根据权利要求2所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述积分电路包括运算放大器及积分电容，其中，所述运算放大器的第一输入端与所述第二总线相连、第二输入端接地，所述积分电容的第一端连接于所述运算放大器的第一输入端、第二端连接于所述运算放大器的输出端。

4.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述感光模块包括的可见光像素单元为1～16个。

5.根据权利要求4所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述感光模块包括的可见光像素单元为1个，且所述各该可见光像素单元及红外光像素单元交错排列。

6.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述感光模块中的红外光像素单元与可见光像素单元均包括感光元件及读出电路。

7.根据权利要求6所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述感光元件为光门、PN型光电二极管或PIN型光电二极管。

8.根据权利要求6所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述红外光像素单元的感光元件表面设置有红外增透膜。

9.根据权利要求6所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述红外光像素单元与可见光像素单元为3T型结构的像素单元、4T型结构的像素单元或5T型结构的像素单元。

10.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述比较模块包括一比较器，该比较器的第一输入端藉由第一总线连接于所述红外光像素单元，其第二输入端用于输入预设阀值，其输出端连接于所述扫描电路。

11.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述扫描模块包括行扫描电路及列扫描电路。

12.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述扫描模块按预设程序通过第一总线向所述各该感光模块中的红外光像素单元发送第一扫描信号，所述预设程序为按照预设方向对各该感光模块依次进行行扫描或列扫描的执行程式。